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作者:Robinson, Enders A.

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价格:45

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isbn号码:9781560801047

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深入探索地球物理信号处理的广阔领域 图书名称： 地球物理信号分析 图书简介： 本书旨在为地球物理学、应用数学以及相关工程领域的专业人士和高级学生提供一个全面、深入且实用的指南，专注于地球物理信号的获取、处理、解释与应用。本书不局限于单一的地球物理方法，而是涵盖了地震学、重力学、磁法勘探、电磁法勘探等多个核心分支中信号分析的关键理论、前沿技术与实际案例。 第一部分：地球物理信号基础与数据获取（1-4章） 第一章：地球物理勘探概述与信号本质 本章首先回顾地球物理勘探的起源、发展历程及其在资源勘查、工程地质和环境监测中的关键作用。我们将重点解析地球物理信号的物理起源，区分不同物理场（如弹性波、电磁场、位势场）的数学特性和噪声来源。信号的随机性、非平稳性和多尺度特性被视为核心挑战。本章详细阐述了信号的采样定理在地球物理数据采集中的具体应用与局限性，强调了高质量初次数据获取的重要性，为后续的处理奠定理论基础。 第二章：地球物理数据的采集系统与误差分析 本章深入探讨了现代地球物理数据采集系统的硬件架构，包括高精度传感器（如MEMS加速度计、光纤陀螺仪、宽带电磁接收器）的选择与性能指标。我们详细分析了系统误差的来源，包括仪器噪声、环境耦合（如文化噪声、地磁场扰动）和几何误差。误差模型（如高斯白噪声、脉冲噪声）的建立和辨识是本章的重点，并引入了误差传播理论在数据质量控制中的应用。 第三章：信号预处理与去噪技术I：经典方法 预处理是信号分析的基石。本章专注于传统的、基于统计和滤波理论的去噪技术。内容涵盖了傅里叶变换（FT）在频域滤波中的应用，包括低通、高通、带通滤波器的设计与实现，特别关注了地球物理数据中常见的谐波干扰和工频噪声的去除。同时，详细介绍了维纳滤波（Wiener Filtering）的原理、最优性条件及其在信号恢复中的应用，并讨论了卷积与反卷积在系统响应校正中的作用。 第四章：信号预处理与去噪技术II：现代与自适应方法 本章转向更复杂的、能够处理非平稳信号的现代去噪技术。我们详细探讨了小波变换（Wavelet Transform）在时频局部化分析中的优势，包括小波基的选择、分解与重构过程，以及小波阈值去噪（如VisuShrink, SureShrink）在分离瞬态噪声方面的效率。此外，本章引入了经验模态分解（EMD）及其改进方法（如EEMD、CEEMDAN），用于处理地球物理记录中固有的非线性和非平稳性，实现本征模函数（IMF）的有效分离与噪声分离。 第二部分：信号变换、成像与反演（5-8章） 第五章：多维信号分析与 Radon 变换 地球物理数据往往是空间维度与时间（或频率）维度耦合的多维数组。本章重点研究多维信号的表示和处理，特别是针对地震数据中的 $CMP$ 叠加和偏移成像。Radon 变换（包括直线和平面）被深入讲解，阐明其在消除或增强特定射线路径或事件（如静校正残差、多次波）中的核心地位。我们将对比 $f-k$ 域分析和 Radon 变换在速度分析与噪声压制中的优劣。 第六章：地球物理反演的理论基础与正则化 信号处理的最终目标是获取地下介质参数。本章系统介绍了地球物理反演的数学框架，即将信号数据与其地下模型关联起来的优化问题。内容包括正演模型（Forward Modeling）的建立（如有限差分法、谱方法），以及如何构建目标函数（最小二乘目标函数）。反演的核心挑战——非唯一性和不适定性——被详细讨论，并引入了多种正则化技术，如 Tikhonov 正则化、L1 范数约束（LASSO）和全变分（TV）最小化，以保证解的稳定性和物理合理性。 第七章：波场成像技术：偏移与速度分析 本章专注于地震数据成像，这是地球物理信号分析中最具挑战性的领域之一。我们将详细解析波动方程的数值求解方法，重点是深度时移偏移（如Kirchhoff 偏移、有限差分偏移）。速度分析被视为成像质量的关键，本章深入探讨了剩余静校正、剖面叠加速度分析、以及基于波场相干性的速度分析技术。对于电磁法，本章将介绍阻抗张量反演中的响应函数提取与成像方法。 第八章：随机反演与不确定性量化 鉴于地球物理数据的内在随机性和模型参数的先验信息不足，本章转向随机反演方法。贝叶斯理论在地球物理反演中的应用是核心内容，包括先验概率的构建和后验概率密度的计算。马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，特别是 Metropolis-Hastings 算法和 Hamiltonian Monte Carlo (HMC)，被用于探索高维参数空间，以量化模型参数的不确定性，并生成多套“等效”地下模型。 第三部分：特定领域信号分析与应用（9-12章） 第九章：重力和磁力信号分析与分离 本章专门针对位势场数据。内容涵盖了重力梯度测量数据的处理与解释。我们详细阐述了重磁异常的分离技术，包括向上延拓（Upward Continuation）和向下延拓（Downward Continuation）的稳定性问题，以及基于滤波的方法（如提升度滤波、水平梯度增强）。异常的源定位技术，如解析信号法（Analytic Signal）和欧拉反褶积（Euler Deconvolution），将被详细剖析，用于确定异常体的深度和几何形状。 第十章：电磁法（EM）信号处理与层析成像 针对大地电磁（MT）和可控源电磁（CSEM）数据，本章侧重于阻抗函数（Tensor Impedance）的计算、张量分解与旋转，以及数据校正（如场源效应、地形效应）。信号处理重点在于低频数据中的“海洋效应”和高频数据中的“文化噪声”压制。在反演方面，重点介绍了一维大地电磁数据的阻抗反演，以及三维数据中基于有限元或有限体积法的全张量反演技术。 第十一章：地震信号分析：从地震动到地下结构 本章聚焦地震波形分析。内容包括地震仪响应的校正、波形的时间-空间域分析。传统方法如 $P$ 波和 $S$ 波到时拾取、振幅分析被回顾。更现代的分析技术包括接收函数（Receiver Function）分析用于揭示莫霍面和低速带的精细结构，以及利用波形拟合技术（如全波形反演 FWI）进行高分辨率成像。我们还探讨了噪声相关分析（Ambient Noise Interferometry）在构建背景速度场中的前沿应用。 第十二章：信号处理在工程地球物理中的应用 本章探讨信号分析如何解决实际工程问题。内容包括浅层地震勘探（SH/ पाटील地震）中的浅层多次波压制、场地脉冲响应（Site Effect）的获取与反卷积，以及利用 Rayleigh 波分析进行场地土层剪切波速（Vs）评估。对于结构健康监测，利用跨度技术（Cross-Hole/Downhole）获取的信号，如何通过特征值分解或模态分析技术来识别结构损伤与退化。 --- 结论： 本书的特色在于其贯穿始终的“从信号到物理意义”的分析逻辑。它不仅提供了地球物理信号处理的数学工具箱，更强调了如何根据不同的物理过程和采集环境，选择和定制最恰当的分析流程。通过大量的数学推导、算法实现讨论与实例分析，读者将能够掌握解析复杂地球物理数据的核心能力。

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这本书最大的亮点，我认为在于它对“不确定性”的深刻探讨。在地球物理学的诸多领域中，我们处理的往往是来自深层、难以直接观测的数据，误差和噪声是常态。这本书并没有试图掩盖这一点，而是将如何量化和管理这种不确定性作为核心议题之一。作者用极具说服力的语言阐述了贝叶斯方法的强大之处，以及它如何在充满盲区的地球内部成像中发挥关键作用。我以前总觉得统计学在地球科学中的应用有些生硬，但读完这本书后，我对如何用概率的语言来描述地质构造的“可能性”有了全新的认识。书中关于分辨率和反演稳定性的章节，讨论得极其透彻，它教会了我一个重要的道理：好的分析不仅仅是得出结果，更重要的是知道你对这个结果的“把握”有多大。这对于任何一个进行严肃科学研究的人来说，都是一笔宝贵的精神财富。

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我是在一个非常忙碌的时期开始阅读这本著作的，起初担心时间碎片化会影响理解，但这本书的结构设计非常适合分段阅读和消化。每一小节的论述都相对独立和完整，即便中断很长时间再拾起，也能迅速找到上下文的连接点。特别值得称赞的是，书中对历史背景的梳理非常到位。作者花了不少篇幅介绍了早期科学家们在面对这些复杂信号时所经历的思想挣扎和技术突破，这让枯燥的理论推导变得有血有肉，充满了人性的光辉。它不仅仅是一本技术手册，更像是一部关于人类如何一步步揭示地球奥秘的史诗。这种人文关怀让这本书的厚度远超出了纯粹的工程或数学范畴，它成功地将科学的严谨性与历史的趣味性完美融合在了一起，阅读体验极为流畅和愉悦。

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老实说，这本书的章节安排颇具匠心，它并没有按照传统的教科书路数死板地推进，而是像一部精心编排的交响乐，从开篇的宏观概念逐步深入到细微的信号处理技巧，高潮迭起。我特别欣赏作者在讨论数据去噪和滤波技术时所采用的批判性视角。他没有简单地推崇某一种“万能”算法，而是详细对比了不同方法的优缺点，以及它们在处理特定噪声类型时的适用性。这种对技术局限性的坦诚披露，远比那些只展示完美结果的教程要来得实在和宝贵。阅读过程中，我不断地在思考如何将这些理论知识应用到我正在进行的项目中，书中提供的一些启发性的案例分析，虽然没有直接给出最终答案，但却像一把钥匙，为我打开了解决问题的思路。整本书的行文风格是那种沉稳而又不失活泼的学者笔调，让人在学习专业知识的同时，也能感受到作者对这门学科深沉的热爱。

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这本书的封面设计有一种复古的厚重感，拿到手里沉甸甸的，让人感觉这是一部内容的宝库。我本来对这个主题抱有一些疑惑，担心内容会过于晦涩难懂，但翻开第一页我就被作者的叙述方式吸引住了。他没有一上来就抛出复杂的数学公式，而是用非常生动的语言描绘了地球内部的神秘世界，那种感觉就像是跟着一位经验丰富的地质学家在进行一次探险。书中对不同类型的地球物理数据采集过程的描述，充满了对实地工作的敬畏和细节的关注，让我仿佛身临其境，感受到了那些野外工作者的艰辛与乐趣。特别是关于地震波在不同介质中传播路径的解析，作者的讲解深入浅出，即便是像我这样背景相对薄弱的读者，也能大致把握其核心概念，这在同类专业书籍中是极其难得的。这本书的排版也十分考究，图文并茂，那些手绘的示意图清晰地勾勒出复杂的物理现象，有效地降低了阅读的门槛，确实是值得反复研读的一本佳作。

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关于这本书的深度和广度，我必须给予高度评价。它的覆盖范围之广，几乎囊括了现代地球物理信号分析的主流方法论，从传统的傅里叶变换到现代的小波分析，再到时频域的综合应用，无一不作了详尽的阐述。我注意到作者在讲解一些高级技术时，会非常巧妙地引用一些看似无关但实则相通的领域（比如医学成像或雷达技术）的类比，这极大地拓宽了读者的思维边界。此外，本书的参考书目部分也做得非常专业，清晰地标明了哪些是开创性文献，哪些是最新进展，为那些希望进行更深入钻研的读者指明了清晰的路径。总而言之，这本书的价值在于，它不仅教会你“如何做”，更重要的是让你理解“为什么这样做”，它为建立一个扎实而全面的地球物理分析知识体系打下了坚不可摧的基石，实属难得的经典之作。

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